Kiểm soát khử nitơ trong nuôi trồng thủy sản tuần hoàn
Một nhóm các nhà khoa học của Đại học Mons đã nghiên cứu việc áp dụng các phương pháp điều khiển khác nhau trong quá trình khử nitơ nhằm tối ưu hóa hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS).
Việc kiểm soát lượng cacbon bổ sung vào trong bộ lọc sinh học khử nitơ rất quan trọng nhằm đảm bảo nồng độ nitrat/nitrit ở mức không độc hại đối với cá, phù hợp với các quy định xả thải và giảm chi phí liên quan đến các nguồn cacbon hữu cơ bị lãng phí. Do đó, nghiên cứu này nhằm đánh giá các phương pháp điều khiển khác nhau trong bộ khử nitơ của hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn.
Các nhà nghiên cứu đã thực hiện đánh giá toàn diện về quá trình kiểm soát nitrat bằng cách sử dụng axit axetic (pH được điều chỉnh để không đổi) và hai phương pháp kiểm soát khác nhau được xem xét: kiểm soát PID với các thông số được xác định bằng phương pháp SIMC và kiểm soát dựa trên một mô hình tuyến tính hóa đơn giản.
Hệ thống tuần hoàn trong nuôi trồng thủy sản (RAS)
Hệ thống tuần hoàn trong nuôi trồng thủy sản (RAS) ngày càng được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nơi với ưu điểm cho phép điều kiện nuôi được tối ưu hóa quanh năm, sử dụng hiệu quả nguồn nước, đất, dễ dàng kiểm soát cho ăn cũng như chất lượng nước để đảm bảo sự phát triển của cá.
RAS có thể được định nghĩa là các hệ thống cho phép tái sử dụng 1 số lượng nước đáng kể trong đó ít hơn 10% tổng lượng nước được thay thế mỗi ngày. Hệ thống RAS thường được sử dụng khi: nguồn nước nuôi cá bị hạn chế hoặc giá thành cao (do chi phí máy bơm), nguy cơ nguồn nước đầu vào bị ô nhiễm hoặc nhiễm bệnh, công suất xử lý nước thải bị giới hạn hoặc khi nhà quản lý muốn kiểm soát chặt chẽ về chất lượng nước và nhiệt độ trong hệ thống nuôi.
Hạn chế của hệ thống tuần hoàn trong nuôi trồng thủy sản là tích tụ một số hợp chất độc hại, chẳng hạn như amoniac, khi không có biện pháp xử lý phù hợp. Amoniac có trong hệ thống do quá trình bài tiết của cá, 60-70% lượng nitơ không được cá tiêu thụ được bài tiết dưới dạng amoniac qua mang và qua sự phân hủy của thức ăn thừa.
Nitrat hóa và khử nitrat hóa
Sự phức tạp của các hệ thống RAS được tạo ra bởi vòng khép kín của nguồn nước nuôi và sự tương tác giữa xử lý nước và tăng trưởng của cá. Hiệu quả của hệ thống phụ thuộc một phần vào khả năng quản lý chất thải dinh dưỡng. Hàm lượng amoniac tích tụ phải được chuyển hóa thành nitrat bằng cách sử dụng bể nitrat hóa. Quá trình loại bỏ nitơ làm giảm lượng amoniac bằng cách sử dụng vi sinh vật biến đổi nó thành nitrat (nitrat hóa).
Mặc dù nitrat ít độc hơn đối với cá, nhưng nó cũng tích tụ trong hệ thống và cần được loại bỏ để đảm bảo sự bền vững của hệ thống. Do đó, trong thiết kế RAS, sẽ có một hệ thống với nhiệm vụ chuyển nitrat thành khí nitơ (khử nitơ).
Bằng phương pháp khử nitơ, các hợp chất nitơ vô cơ bị oxy hóa, nitrit và nitrat bị khử thành nitơ nguyên tố (N2). Quá trình này được tiến hành bởi các vi sinh vật kỵ khí với các chất cho điện tử và cacbon bên ngoài (cacbohydrat).
Nghiên cứu mô hình kiểm soát khử nitơ trong RAS
Các nhà khoa học đã thiết lập mô hình nghiên cứu với một hệ thống tuần hoàn quy mô công nghiệp trong nuôi trồng thủy sản bao gồm các bể nuôi cá, một hệ thống lọc vật lý và hai bộ lọc sinh học (một để nitrat hóa và một để khử nitơ).
Chất thải nitơ trong các hệ thống RAS có thể được loại bỏ thông qua các bộ lọc sinh học nitrat hóa và khử nitơ. Ảnh: mdpi.com.
Cá được nuôi trong bể, nước nuôi cá được chảy vào hệ thống lọc cơ học để loại bỏ chất rắn lơ lửng. Sau đó dòng nước này được chảy qua một hệ thống khử nitơ, nơi một nguồn cacbon, axit axetic, được bổ sung. Bộ lọc nitrat hóa bao gồm 6 ngăn, mỗi ngăn chứa đầy các giá thể nhựa cố định.
Các nhà nghiên cứu cho biết việc kiểm soát thủ công quá trình khử nitơ của bộ lọc sinh học có hiệu suất không ổn định và chi phí cao. Đặc biệt, việc thiếu nguồn cacbon để khử nitơ làm cho vấn đề trở nên nghiêm trọng hơn.
Bộ điều khiển tuyến tính hóa và PI.
Điều khiển PID đa biến, điều khiển lưu lượng nước tuần hoàn và sục khí để kiểm soát hàm lượng nitrat, cùng với các thuật toán điều khiển trực tuyến nhằm tối ưu hóa bộ lọc sinh học khử nitơ thông qua việc điều chỉnh lượng carbon được bổ sung. Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển tuyến tính hóa có khả năng giữ cho hệ thống ổn định.